磁共振成像的物理學(xué)原理

1、磁共振成像的物理學(xué)原理,福建醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院影像科技術(shù)組林曉君,MRI的定義弛豫圖像建立,大綱,回顧下一些不同類型的成像示例：a 照相時，光線（可見光）由物體表面反射回來，被照相機內(nèi)的成像板接收。b X成像時，X線源發(fā)出可以穿透物體的放射線，穿透后的射線被X線成像板所接收。c 在MRI中，低頻率的無線電波穿透組織，然后由物體內(nèi)磁化的自旋質(zhì)子反射回來。,磁共振成像（MRI）是啥？,自旋 質(zhì)子,質(zhì)子—氫原子核（1H

2、）, 一般所指的磁共振圖像即為1H的磁共振圖像。,（一）1H是人體中最多的原子核，約占人體中總原子核的2/3以上，可以產(chǎn)生較強的磁共振信號；（二）1H的磁化率最高，也可以產(chǎn)生更強的信號；（三）1H存在人體的各種組織中，因此具有生物代表性。,選擇1H的理由：,自旋,所有磁性原子核（中子數(shù)或質(zhì)子數(shù)至少一項是奇數(shù)）都有一個特性：總以一定的頻率繞著自己的軸進行高速旋轉(zhuǎn)，即為自旋。,—自轉(zhuǎn),帶有正電荷的磁性原子核自旋產(chǎn)生的磁場稱為核磁。,前人

3、體內(nèi)氫質(zhì)子狀態(tài),每個質(zhì)子產(chǎn)生的磁化矢量相互抵消，所以人體在自然狀態(tài)下并無明顯磁性，因此沒有宏觀磁化矢量的產(chǎn)生。,磁化,,B0,把人體放進一個大磁場（主磁場Bo）中。人體內(nèi)產(chǎn)生一個與主磁場方向一致的宏觀磁化矢量。,磁化,,B0,磁化,,,,B0,,,磁化,,B0,高能級,,常態(tài)下氫質(zhì)子分為高能級和低能級,低能級,自旋,,主磁場中氫質(zhì)子運動狀態(tài),,,,∽,主磁場中氫質(zhì)子運動狀態(tài),,,S,N,,,ω　= γB0,z,處在主磁場的氫質(zhì)子，除了

4、自旋運動外，還繞著主磁場軸進行旋轉(zhuǎn)擺動，稱為進動。,ω 為L armor頻率γ 為磁旋比(常數(shù)，H的γ為42.5MHz/T)B0為主磁場的場強,,B0,橫向磁化分矢量由于相位不同而相互抵消，因此，沒有宏觀橫向磁化矢量產(chǎn)生。,人體組織進入主磁場后被磁化，產(chǎn)生宏觀的縱向磁化矢量，質(zhì)子含量越高則產(chǎn)生的宏觀縱向磁化矢量越大，那就可以區(qū)分含量不同的各種組織了么？ 產(chǎn)生的宏觀縱向磁化矢量盡管對每個質(zhì)子的小核磁來說是宏觀的，但是，對相對強大的主

5、磁場來說卻又是非常微小的，這么微小的所謂宏觀縱向磁化矢量重疊在與其方向一致的強大主磁場中，接收線圈就不可能檢測到宏觀縱向磁化矢量。,如何測到宏觀縱向磁化矢量？,旋轉(zhuǎn)的宏觀橫向磁化矢量才能切割線圈產(chǎn)生電信號。 如何讓縱向的磁化矢量偏轉(zhuǎn)成橫向磁化矢量？,射頻脈沖（無線電波）,條件：與進動頻率相同微觀實質(zhì)：能量的傳遞,——引起共振,低能級的質(zhì)子躍遷到高能級,共振,共振,低能級,高能級,共振,共振,低能級,高能級,共振,磁共振現(xiàn)象宏觀結(jié)

6、果是使縱向磁化矢量發(fā)生偏轉(zhuǎn)，能量越大偏轉(zhuǎn)角度越大。,,90°射頻脈沖的微觀和宏觀效應(yīng),,質(zhì)子密度越高，其宏觀縱向矢量越大，90°脈沖激發(fā)后產(chǎn)生宏觀橫向磁化矢量就越大，切割的接收線圈產(chǎn)生的電信號越強，MR信號就越高。這樣MR圖像就可以區(qū)分質(zhì)子密度高低不同的人體組織了。在射頻脈沖關(guān)閉后等待一定時間并對信號進行干預(yù)和采集。,磁共振成像是利用射頻電磁波對置于磁場中的含有自旋不為零的原子核的物質(zhì)進行激發(fā)，發(fā)生核磁共振，用感應(yīng)

7、線圈采集磁共振信號，按一定數(shù)學(xué)方法進行處理而建立的成像方法。,磁化,自旋質(zhì)子,射頻脈沖,弛豫是指自旋減少到它們的最低能態(tài)或返回到平衡狀態(tài)。,弛豫,橫向弛豫,縱向弛豫,弛豫：一個過程,橫向矢量逐漸消失；,縱向矢量逐漸恢復(fù)。,兩個同時發(fā)生但相互獨立的過程,弛豫,,橫向弛豫,導(dǎo)致質(zhì)子群失相位的主要原因： A 質(zhì)子周圍磁環(huán)境隨機波動（自旋-自旋相互作用，即內(nèi)在的不均勻性） B 主磁場的不均勻 ——受這兩方面磁場不均勻的影響稱

8、為自由感應(yīng)衰減（FID）,也稱為T2*弛豫。 利用180°聚焦脈沖剔除主磁場的不均勻造成的衰減才是真正的衰減即T2弛豫。,橫向弛豫,T2*弛豫=T2弛豫+主磁場的不均勻T2值：90°脈沖施加，橫向矢量最大值為起點，T2弛豫造成的衰減到最大值的37%為終點，起點與終點之間的間隔為T2值。 T2=橫向弛豫時間T2=自旋-自旋弛豫時間 一般組織T2值僅為數(shù)十毫秒到一百多毫秒，少數(shù)達數(shù)百毫秒。,橫向弛

9、豫,,,不同的組織T2值存在差別，磁共振的T2加權(quán)像方能區(qū)分不同的解剖結(jié)構(gòu)，并能區(qū)分正常組織與病變組織。,加權(quán)即突出重點T2加權(quán)像（T2WI）重點突出的是不同組織之間的橫向弛豫差別。T2WI上，組織的T2值越大，其信號強度越強。,射頻關(guān)閉后，在主磁場的作用下，組織中的宏觀縱向弛豫將逐漸恢復(fù)到激發(fā)前的狀態(tài)及平衡狀態(tài)，即縱向（T1）弛豫。 脈沖關(guān)閉后，宏觀縱向矢量為零，以此為起點，恢復(fù)到最大值得63%為終點，起點和終點的時間間

10、隔即T1值。,縱向弛豫,T1=縱向弛豫時間T1=自旋-晶格弛豫時間,T1弛豫是釋放能量的過程，把質(zhì)子內(nèi)部的能量傳遞到質(zhì)子外的其他分子，所需要時間較長，一般組織的T1值為數(shù)百到數(shù)千毫秒。 T1加權(quán)像重點突出的是縱向弛豫的差別。 T1值越小，MR的信號強度越大。 T1值存在的差別，磁共振的T1加權(quán)像方能區(qū)分不同的解剖結(jié)構(gòu),,灰質(zhì)的T1值大于白質(zhì)，因此T1WI上灰質(zhì)的信號強度低于白質(zhì)。,其他加權(quán)成像,質(zhì)子密度加權(quán)成像主要反映單位體積不

11、同組織間質(zhì)子含量的差別。 彌散加權(quán)成像（DWI）反映活體組織中水分子的布朗運動。 灌注加權(quán)成像(PWI),磁敏感加權(quán)成像（SWI）,磁共振信號：宏觀橫向矢量越大，其切割產(chǎn)生的電信號即磁共振信號也越強。一自由感應(yīng)衰減信號二自旋回波信號三梯度回波信號,圖像建立,自由感應(yīng)衰減信號：利用磁共振接收線圈直接記錄橫向磁化矢量的自由感應(yīng)衰減(t2弛豫和主磁場的不均勻)，得到的磁共振信號。自旋回波信號：射頻脈沖產(chǎn)生了宏觀橫向磁化矢量，脈

12、沖關(guān)閉后，在Ti時間施加一個180°聚焦脈沖，以剔除主磁場不均勻的影響，得到的磁共振信號。,圖像建立,,圖254,梯度回波信號：利用讀出梯度場切換，宏觀橫向磁化矢量經(jīng)歷從零到最大又從最大到零的過程，得到的一個回波信號。,圖像建立,空間定位包括: 1.層面的選擇 2.頻率編碼 3.相位編碼 三維的空間定位利用梯度線圈產(chǎn)生的梯度磁場來實現(xiàn)的。（層面選擇梯度線圈，頻率編碼梯度，相位編碼梯度）,,X

13、,Y,Z,O,圖像建立,發(fā)射一個不符合拉莫頻率的射頻脈沖（層面選擇梯度），不會激發(fā)人體內(nèi)的任何質(zhì)子，但會使磁場隨位置而變化，每個位置有自己的共振頻率。,層面選擇,帶寬=頻率范圍（決定了層面的厚度）,頻率編碼,頻率編碼梯度在MR信號采集過程中同時施加頻率 位置,相位編碼,梯度場施加方向與頻率編碼的垂直相位編碼梯度磁場必須在信號采集前施加,射頻激發(fā) + 空間編碼,線圈采集得到的MR模擬信號,,傅里葉變換分解